电路设计原理范例

前言:一篇好的文章需要精心雕琢,小编精选了8篇电路设计原理范例,供您参考,期待您的阅读。

电路设计原理

电路设计原理范文1

关键词:AltiumDesigner;焊接;电路;通用技术

电子控制技术是高中通用技术学科的重要组成部分,该部分以理论知识为基础,要求学生能够应用所学知识设计制作电子电路,因此该部分内容需要设置较多的实验,以让学生在动手实践的过程中逐渐掌握电路知识,培养动手能力。然而由于通用技术目前仍缺少适合高中学生动手实验以及课堂教学的硬件平台,实验往往难以开展。一些学校会用面包板、洞洞板等作为载体,但面包板、洞洞板只适合涉及少量元器件的电路,元器件数量一多,导线连接就会非常复杂、容易出错,即使有学生千辛万苦将线路连接正确,也会因为引脚接触不良、连焊、虚焊等问题导致电路无法正常工作。这些问题极容易打击学生学习的积极性,况且大多数高中学生的动手能力是十分有限的,因此严重影响了教学效果。AltiumDesigner(简称AD软件)是一款应用十分广泛的电路设计制作软件[1],它可以将电路设计原理图转化成PCB图,再将制作完成的PCB图交予电路板印制工厂或者网店,就可以获得对应的PCB电路板,这样就解决了复杂电路布线问题导致的电路故障难题,实验时只需确保各个元器件焊接正确完整即可验证电路。从学生学习角度出发,用AD软件制作PCB电路板用于电子控制技术教学,不仅可以适当降低实验难度,专注于提高学生电路设计能力、动手操作能力,还能拓展学生的知识面;从教师教学角度出发,丰富实验教学的内容,提高课堂教学的效率。

一、AD软件介绍

随着现代电子技术的发展,电子线路的设计变得异常复杂,用计算机辅助设计电子线路是必然趋势,许多大学甚至还开设了电子线路设计软件应用的课程[2]。AD软件作为一款主流电子线路设计软件,拥有非常强大的电子电路设计功能。它在Protel的基础上优化了界面交互设计,拓展了多项功能。AD软件功能较多,包括原理图库设计功能、印刷电路板设计功能、嵌入式开发功能、3DPCB设计功能、封装库设计功能。

二、用AD软件制作PCB电路的过程

用AD软件设计PCB电路板的思路是十分清晰的[3]:首先,需要创建原理图库和封装库;其次,将原理图库和封装库整合在一起生成集成库文件;最后,用这个集成库设计电路原理图和PCB图,设计制作完成的PCB图就可以拿去让电路板印制工厂或网店加工。本文以2016年浙江省高考通用技术选考第17题的电路图为例,介绍AD软件绘制PCB电路板的过程,图1是电路原理图。

1.设计制作原理图库

在用AD软件绘制原理图时,部分元器件无法在库文件中找到,这时就需要自己绘制元器件符号,原理图库就是用来绘制各种元器件符号的。单击菜单栏中的文件→新建→Library→原理图库,进入原理图库设计界面(见图2)。可以点击工具栏上的绘制具体元器件符号,图中界面绘制的是555芯片的元器件符号。从原理图来看,需要绘制的元器件数目比较多,依次绘制比较耗时,因此可以从网上下载一些原理图库导入AD软件中,这样只要稍作修改就可使用,大大提高了效率。

2.设计制作封装库

封装库是用来绘制各种元器件引脚、轮廓外形的。在绘制元件封装时,不仅要参考实物元件的大小和引脚信息,而且也要在标注焊盘标号时,与原理图库中的元器件符号相对应,否则电路就无法正常工作。封装库设计界面(见图3)可以通过单击菜单栏中的文件→新建→Library→PCB元件库进入。另外,还可以在此给元件封装添加3D模型,可以将查看界面切换到三维立体模式下观看(见图4)。同样当元器件封装较多时,可以通过下载导入封装库的方式,进行修改使用。

3.用原理图库和封装库

合成集成库集成库的作用就是将各种元器件的图形符号与外形封装一一对应起来,这样,集成库的元器件符号才能被用来绘制电路原理图。单击菜单栏中的工具→模式管理器,在模式管理器界面(见图5)可以将元件符号和封装一一对应。完成集成库之后,就可以在对应文件夹中找到制作完成的集成库。集成库可以被单独拿出来使用,建议将制作完成的集成库保存起来,以后绘制PCB电路时就可以节省重新制作原理图库和封装库的时间。

4.用集成库绘制电路原理图并生成PCB图

合成集成库之后,就可以绘制电路原理图和PCB图了,依次在菜单新建选项下创建PCBProject、原理图和PCB图,在原理图设计界面添加集成库中的元器件,并用导线将其连接起来。图6是设计完成的电路原理图。在设计菜单下点击更新PCB文件,就可以生成原理图对应的PCB文件,再对各元器件进行排版、布线,最终可得到图7所示的PCB文件。如果想查看整体效果,也可以将其切换成三维模型视角,在立体视角下查看电路板焊接完成之后的效果图。

5.导出Gerber文件交予电路板印制工厂制作

经过细致的检查确认电路设计没有问题之后,便可以导出电路图的Gerber文件,这个Gerber文件就是PCB电路板印制工厂所需的制板文件,当然对于中学教师来说,也可以不导出Gerber文件,而直接将整个PCB文件交予电路板印制工厂。

三、实物焊接调试

PCB电路板制作完成之后,还需要通过焊接组装测试,任何一个环节出错都会导致最终电路无法工作,因此在制作电路板的时候必须非常仔细。图8是焊接组装完成的电路板,经过调试就可以正常工作了(见图9)。首次用AD软件制作电路板的时候,需要提前准备好原理图库和封装库,虽然这一过程比较费时,但可以将制作好的集成库保存起来,下一次再制作电路时就不用重复绘制了,而且高中阶段电路教学所接触到的元器件种类比较有限,往后若需要新的元器件,只需临时添加即可。因此使用AD软件制作电路板还是比较方便的。

四、结语

需要注意的是,不能用AD绘制的电路板教学完全替代以往的电路连接实验。因为电子线路连接是每名学生必须掌握的实验技能,只有动手连接过之后,才能掌握实物元器件和图形符号之间的联系。可以选择在确保学生已经掌握线路连接技能的前提下,用印制电路板开展教学,这样可以适当降低实验难度,让学生更多地关注电路设计本身,而不是始终陷于线路的连接故障排查上,这是面包板和洞洞板等教学载体无法达到的教学效果。相比于部分教师在网上购买固定电路套件,用AD软件绘制电路板可以充分发挥学生的设计思维,让学生真正体验实验设计制作的乐趣,丰富学生的学习体验。从实际课堂反馈来看,极大地提高了学生的学习积极性和学习欲望,学习效果也比使用以往的实验平台要好。

参考文献

[1]刘佳琪,高敬鹏.AltiumDesigner15原理图与PCB设计教程[M].北京:机械工业出版社,2017.

[2]田薇.Multisim和AltiumDesigner在电子设计实验中的应用[J].学科探索,2018(13):59-60.

电路设计原理范文2

关键词:电工电子技术;教学方法;电路设计;结构谱图

现代电路设计是功能驱动的设计,在电路设计过程中存在知识的流动,而基础的电路结构中的原理知识多数来自对已有的专业课程学习[1]。已有的研究中对教学内容的设置主要是从创新设计、工程实践应用、实践教学方法改进等方面谈及的,缺少结合具体的电路设计应用这些原理方法及其对设计的指导作用角度的教学设置和知识体系[2],为此本文拟提出结构谱图的电路设计方法分析,并以此来对电工电子技术的教学知识体系进行梳理和归纳,以更好地提高教学效率和产生好的教学结果。

1结构谱图的电路设计方法

电路设计结构图谱必须具备的要素为功能、属性及关联;其中功能和属性定义出构件在图谱中的位置,关联则给出了构件与构件之间的关系。因为在电路设计的过程中,对于构件的选择,最重要的是设计者要知道其所能发挥的功能及其在电路系统内的各种特性,才能选择正确适合的构件,而关联则是在组合各构件时的必要关系,掌握了构件间的关联才能正确地组合所有的构件,所以在电路设计图谱之中,必须明确地将此3种性质表现出来,以帮助设计者获得所需要的信息。电路结构图谱的设计方法核心为构建该谱图(见图1),其步骤如下。

1.1决定构件分类

为了将具体的电路构件抽象化以表现在电路设计图谱上,以取代繁多的电路构件,需要先决定电路构件的类别。决定类别的方式,需考虑在概念设计时间,对建立功能结构的需求,因此需要以功能作为构件的类别,将电路构件依功能分类,把同样功能的构件集合在一起,以一个功能类别来代表。

1.2选择构件属性

在被归类到同样功能的构件中,由于其使用的工作场合不同,仍存在一些差异,为此为了让设计者辨别,也为了提供设计者在使用此类构件时,需要被考虑的项目,所以必须依照此类构件的特性与设计参数,定义出属于这一功能类别构件的属性,不同功能类别的构件就具备不同的属性。

1.3分析构件关联

电路系统结构的电路设计图谱不只是一堆构件的集合,更具有构件之间的关联,关联是将结构的形式外显的重要因素。在建立构件的功能类别与属性之后,便要对既有的电路系统做关联的分析,寻找存在电路系统中普遍性的构件关联。电路系统的设计发展至今,大部分电路构件已相当的稳定而完整,构件的种类与组合也趋于稳定,只要分析足够的电路系统,可以找出大多数构件关联的形式。

1.4排列类别位置

为了让电路设计图谱能清楚地表现构件的功能类别与关联,类别与关联必须经过适当的排列,让两者可以清楚地表现在二维的平面上,构成能简单使用的电路设计图谱。从之前的关联分析可以知道哪些功能类别的构件之间具有较高的相关性。根据以上4个步骤,完成由功能类别图标组成的电路设计图谱,将组件以抽象化的功能类别代表,并且保存熟练设计者的经验,这样有利于兼顾设计的普遍性与指导设计的实用性。本文中为便于设计者从概念设计时间就能运用电路设计图谱,基于电路结构图谱的设计方法设计所用图谱由两个部分组成,第一部分是“功能类别关联图”,第二部分则包含了“功能类别构件与属性表”和“同功能构件属性比较表”。而设计者则可利用图谱以及其中的数据建立设计工作所需要的“需求功能打样图”及“需求构件打样图”。图1就是电路设计图谱建立与应用程序,图中可以看出各阶段所产生的图示,以及设计者在任一阶段应该采取的执行步骤。对于结构图谱的构造首先需要对构件的功能分解要合理准确,为此首先完成对构件的分类。

2电工电子技术功能构件分类

本文提出的电路设计结构图谱中对构件的分类原则为:标题所示的是主功能类别,而次一级的标题则是次功能类别。总结电工电子技术构建将其分为如下几类。如表1所示,其英文名称是一般常用的名词,而主功能类别的代码是取英文名称之第一个字母的大写来表示,次功能类别的代码是以小写的字母,并加上其主功能类别的大写字母代码而成。

3功能构件属性分析及其标准化

在确定各功能类别中的构件之后,在同功能的构件之间,必定存在着不同的特性,本研究将其定为构件的“属性”,并以属性将功能构件再进一步的细分。属性代表了此类构件在选用时,设计者对其性能的要求,因为设计者无法直接从功能上决定选用的构件,所以需要由其他性能上的不同来选择,属性的产生就是为了提供设计者选择构件时的参考依据。至于各功能构件的属性如何决定,就要视其使用的场合与特殊的需求,以下各功能类别的属性是参考丁镇生主编的《电子电路设计与应用手册》后决定的,这些属性在电路设计手册中大多有相关的数据或数据以提供比较时的依据。在进行属性比较之前,部分的功能类别中的构件需要再加以细分,因为在使用这些类别的构件时,某一个特别重要的属性必定会优先被考虑,所以必须依据此重要属性将构件先行细分。由于要进行属性比较的构件是表1所列出的范围,每一个属性根据二元对立的概念,一定有两极的状态。进行所有组件之各种属性的比较后,将所得的结果列成“同功能组件属性比较表”,让设计者在设定属性的重要性顺序后,可直接查表得知组件的表现,进而挑选最适合设计所需的组件。

4结语

针对电工电子技术课程教学中涉及讲授的机构类型较多,对电路设计这些机构在实际中的应也有所不同,为此构建了基于图谱结构的电工电子技术构件的知识体系。文章总结归纳了电工电子技术构件的功能并以此进行分类,按功能形成了结构图谱,并形成了以功能为目标的谱图知识体系。以面向电路设计功能实现而提出的结构谱图方法将指导实际教学中电工电子技术授课的侧重性并有助于学生在学习该课程的过程中积累更多的关于电路设计结构配置的基础知识。

[参考文献]

[1]谢友柏.设计科学的争论和设计竞争力[J].中国工程科学,2014(8):4-13.

电路设计原理范文3

关键词:射频电路设计;实验教学;先进设计系统

一、引言

近年来,随着通信技术和计算机技术的迅猛发展,电子系统的工作频率越来越高,射频电路应用广泛,国内外都严重缺乏从事射频电路设计的专业人才,目前相关课程已经广泛在国内外高校开设[1]。《射频电路基础》是我校在2014年通信工程专业本科培养方案中新开设的针对大三学生的限选课程,开设目的是希望通过传授射频电路基础知识,为学生就业和升学提供一个“新”的方向,同时将本专业的与电路设计相关的教学内容,从《电路分析》关注的低频领域和《高频电子线路》关注的高频领域,扩展到射频领域的电路设计。本门课程的学时情况是:课堂教学32个学时,实验教学16个学时。

二、《射频电路基础》的课堂教学内容

课堂教学内容分为6章:第1章讲主要讲述射频电路设计的背景、射频频谱范围、基本量纲和单位、无源元件的射频特性。第2章主要讲述传输线理论,包括等效电路模型、传输线方程、特性阻抗和反射系数、典型终端条件等。第3章讲述史密斯圆图,包括阻抗圆图和导纳圆图、圆图上的串并联频率响应等。第4章讲授匹配网络设计,包括各种匹配方案和匹配网络中的带宽问题。第5章讲授多端口网络和散射参量。第6章讲授射频放大器设计,包括射频放大器的分类、特性指标、直流偏置电路设计、功率关系、匹配电路设计、稳定性判别等内容。可以看出,本门课程涵盖了射频电路设计领域的基础概念和理论、基本设计原则和方法,课堂教学之外必须设计对应的实验教学内容以加深学生对课程知识点的掌握,同时实验教学中需要传授射频电路设计工具的使用。

三、《射频电路基础》的实验教学设计

ADS(AdvancedDesignSystem)是美国安捷伦公司所生产的电子设计自动化软件,也是当今国内各大学和研究所使用最多的射频电路和通信系统仿真软件[2]。我们设计的实验内容基于ADS软件进行电路设计和仿真,共8个实验,每个实验2个学时,共16个学时。实验教学根据课堂教学进度进行同步安排,单次实验的人数为1个班级30人,3个班级轮流进行实验教学。实验一主要学习ADS软件的使用,包括ADS软件基础操作讲解、电路原理图建立、仿真,以及Murata公司的元件库安装。实验二依据传输线理论和射频工程师法则进行电路分析和典型终端条件的设计。实验三要求学生依据给出的负载阻抗和波源阻抗,使用史密斯圆图应用工具,分别采用分立元件和微带线进行匹配网络设计。实验四采用具体电路板进行微带线电路设计,包括微带线的基片参数设置和ADS微带线计算器的使用。实验五进行晶体管偏置电路设计,包括晶体管直流特性分析、直流偏置电路设计、晶体管散射参数扫描、稳定性因子和最大增益测量。实验六基于负反馈电路进行射频放大器的稳定性设计。实验七主要根据相关设计指标和噪声系数圆与等功率增益圆设计输入端匹配电路和输出匹配电路,测量噪声系数和功率增益。实验八根据实验七的电路原理图进行版图设计。

四、《射频电路基础》实验教学的特点

通过上述实验内容的安排和组织,本课程实验教学具有了以下特点:1.与课堂教学知识点结合紧密。实验完全覆盖了课程的课堂教学内容,针对教学重点和难点进行了实验内容设计,既注重射频电路基础知识的理解又注重ADS软件设计技能的训练。比如实验二的内容完全依据传输线理论进行设计,要求学生自行设计电路验证射频工程师法则,验证终端短路和开路的阻抗公式。课程所有实验实施后,学生使用到了ADS软件的多个元件库和智能控件,掌握了基础的基于射频无源元件、微带线和射频放大器的电路设计技巧。2.工程实践性强,大幅度使用半导体公司的射频元件。多个实验中用到了Murata公司的元件库,实验四以FR4为电路板材料进行微带线参数计算和设计,实验五、六、七对安捷伦公司的ATF54143射频放大器进行低噪声功率放大器设计。上述一些元件的使用需要下载和安装相应公司的元件模型,需要阅读产品说明和分析典型电路,在此基础上再进行电路设计。3.组织方式合理,设计型实验和综合型实验比例高。我们将每次实验课堂内容分为教师讲解部分和学生操作部分,教师先讲解本次实验中ADS相关控件的使用方法,并且演示如何进行电路设计和仿真。学生在后续操作中,针对具体任务进行电路设计。实验内容有一定难度,多数是设计型实验或综合型实验。4.实验前后关联性强,设置合理。8个实验前后联系紧密,比如实验二的传输线电路设计是实验六中射频放大器负反馈电路设计的基础,实验三的匹配网络设计是实验七中射频放大器前后端匹配网络设计的应用基础。课堂教学的第6章射频放大器设计是课程的难点,学生较难掌握,我们将其主要知识点进行分解,在实验五、六、七中分别设计实验内容,让学生在同一个ADS工程中进行电路的逐次设计,最后完成了射频放大器电路的全部设计工作。5.使用了小班授课和云课堂教学。我校通信工程专业每届学生为3个班90人,本门课程连续3年选课人数在80人左右。每次实验人数约为1个班30人的规模,实验指导教师有2人,可以充分保证在现场及时地对学生进行答疑和辅导,并且我们在本校云课堂上进行了该课程的建设,上传了实验教学的教师讲解部分的视频,学生可以控制视频的观看速度和复习回顾。

五、结论

《射频电路基础》是我校通信工程专业的一门新开课,课程内容定位为传授射频电路设计领域的基础理论和基本电路设计方法。相对于32个学时的课堂教学,16个学时的实验教学学时量比较大,这样设置的根本原因是为了充分保障学生学习更多的具有实际应用价值的设计实例,培养学生电路设计软件的操作能力。本门课程内容较多而且很抽象,理论知识和工程应用结合紧密,学生学习起来比较困难,因此实验教学内容的设计非常关键。我们的实验教学设计充分考虑了相关理论知识在电路设计中的体现和ADS设计软件的训练,并且采用实际半导体公司产品进行电路设计,实验内容安排合理,组织得当,工程实践性较好。实验实施后,学生评价较高,取得了极好的教学效果。

参考文献:

[1]ReinholdLudwig,GeneBogdanov.射频电路设计———理论与应用[M].第2版.北京:电子工业出版社,2013.

电路设计原理范文4

Multisim开放虚拟电子实验室中提供了大量丰富的虚拟仪器仪表、元件库,不仅为模电、数电、模数混合电路、单片机电路等提供了立体化设计平台,更具有强大的仿真分析功能。学生可以做到边设计边仿真实时观察运行结果验证电路的合理、正确性。且排故和修改电路结构、增减元器件等也只需动动鼠标即可,省时、省力、省材。学生可以无所顾忌大胆尝试用不同型号元器件进行不同方案的设计。提高设计效率同时激发了学生不断探索创新的精神,设计过程充满了挑战和乐趣,从而使设计过程更加科学规范,提高了学生综合分析设计能力。

二、Multisim在《数字电子技术》课程设计教学中的应用

《数字电子技术》课程设计教学通常按教师根据不同设计题目下达主要设计任务、学生收集资料、确定设计方案、设计绘制电路图、电路制作、调试,最后撰写设计报告等步骤进行。通常一个班级会有多个设计题目如数字钟、交通灯、抢答器等。根据设计题目的不同将学生分为不同组,整个教学中以学生自主设计学习为主,以教师给予一定的理论知识与技能辅导为辅。Multisim主要应用在课程设计教师教学辅导和学生学习两方面。

(一)Multisim应用在课程设计教师教学辅导中

主要体现集中教学辅导和按课题不同分组教学辅导。集中教学辅导中教师可以通过某个电路仿真设计案例的动态演示向学生讲解电子产品电路的常规设计方法、电路设计过程及规范绘制电路图的方法并使学生掌握对Multisim软件的使用方法等。按课题不同分组教学辅导主要针对不同课题组学生对指定课题进行小组或个别教学辅导。通过对相关电路仿真案例演示,明确设计任务要求并向学生讲解单元电路功能原理和总电路结构原理、设计思路和方法,以便为学生独立设计提供帮助与参考,使学生对要设计的电子产品有系统性的认识。分组教学环境相对开放与放松,教师可以面对面对学生进行辅导。利用Multisim讲解单元电路时,要突出电路的主要功能原理分析,不用象在课堂教学中讲得那么详细,否则容易束缚学生的思维,应给学生留有充分想象、思考和拓展的空间,使其具有举一反三的能力,教师可以提供参考性的建议。

(二)Multisim应用在学生电路设计学习过程中

主要体现学生在掌握电路原理的基础上能学习和熟练使用Multisim软件并将其应用到整个电路设计中,电路设计过程严格要求学生在仿真环境下完成对单元电路、总电路的设计与绘制,并会利用虚拟仪器进行仿真测量、排故、调试,实时验证运行结果。最后,要求学生将最终调试好的电路设计图、测量数据都要记入课程设计报告中。

(三)Multisim在数字钟电路设计中的应用举例

数字钟电路是课程设计中常用的典型题目,教师可以提供预先准备的简单数字钟电路仿真实例为参考,为学生讲解各单元电路和总电路的设计过程,使学生对电路的基本功能结构框架有初步的了解和认识。以24小时制六位数字钟电路设计为例。

1.设计任务

设计一个24小时制并显示时、分、秒的六位数字钟。可以分别对时、分进行校时且具有整点报警功能。

2.任务分析

数字钟电路主要由秒脉冲产生电路、时分秒计数电路、显示电路、校时电路和整点报警等单元电路构成。其中时计数器为24进制,分、秒计数器都为60进制,校时电路采用自动校时法。整点报警电路可采用蜂鸣器发声达到报警功能。

3.单元电路的设计与仿真

(1)1HZ秒脉冲电路的设计与仿真

秒脉冲电路主要为数字钟的秒计数电路提供频率为1HZ的时钟脉冲信号,其精确度和稳定性直接决定着数字钟的走时精度。本设计简单采用555定时器构成的多谐振荡器实现,通过计算其RC的参数使其输出1HZ脉冲。根据该振荡器的输出脉冲的周期计算公式T=0.7(R1+2R2)C1,若T=1S,令R1=39KΩ,R2=52KΩ,C1=10μF使电路输出1HZ秒脉冲。由于频率低,此款电路稳定性和精度不高,若精度要求高可以采用32768HZ石英晶体振荡器经分频电路获得秒脉冲,也可以用555定时器产生1KHZ再经分频电路获得秒脉冲。由于虚拟环境中的秒信号要比现实生活中1S信号要慢得很多,因此为调试方便以下虚拟过程中都直接用脉冲电源代替秒信号电路。

(2)时分秒计数、显示电路设计与仿真

时、分、秒计数电路各采用两片74LS160十进制计数器级联构成。时计数器采用两片74LS160级联成24进制计数器,时十位利用置数法接成三进制(0-2),当十位显示2时将个位变成四进制计数器使时个位只显示0-3。这样时计数器在分计数器提供的时钟信号触发下即可在00时-23时之间循环计数(如图2所示)。分、秒计数电路原理相同,将两片74LS160接成60进制即十位接成六进制(0-5),且采用置数法使计数器回到初始计数状态。个位为十进制(0-9),个位的进位输出端作为十位的时钟脉冲端。显示电路设计中采用四管脚的虚拟LED七段数码管,其将七段显示译码器功能与实际的七段数码管显示功能集成在一起,直接输入四位二进制数完成数码显示。在实际设计时可以用七段译码器驱动普通七段数码管显示。

(3)时、分校时电路的设计与仿真

时、分采用相同的校时电路,本设计中采用机械开关与RS触发器构成快速自动校时电路,可以分别对时、分计数电路快速自动校时,分自动校时电路。本设计通过机械开关S在1HZ秒脉冲信号和秒计数电路提供的时钟触发信号间实现切换输出至分个位CP时钟脉冲端,实现快速自动较时。由于机械开关在动作瞬间往往会发生抖动使输入信号产生“毛刺”干扰信号导致电路工作出错,因此,运用基本RS触发器存储记忆功能构成“防抖动”电路,无论开关如何动作,触发器的输出端均没有抖动现象。当开关S拨向A,触发器为1态(U1输出1,U2输出0),将来自1HZ秒脉冲信号输出至分个位CP端同时,阻断来自秒计数器时钟触发信号,实现自动快速校时功能。当开关S拨向B,触发器为0态(U1输出0,U2输出1),将来自秒计数器时钟触发信号输出至分个位CP端,同时阻断来自1HZ秒脉冲信号,恢复正常运行。

(4)整点报警电路

电路设计原理范文5

【关键词】地方高校;虚拟仿真;实验室建设;通信工程

0引言

培养地方经济和社会发展所需的德才兼备的人才,是地方应用型本科高校人才培养的主要目标。近年来,信息与通信技术(InformationandCommunicationsTechnology,ICT)在全球范围内快速发展。我国新一代信息技术的发展、智慧城市的建设和工业信息化的发展等,对我国ICT人才提出了数量和质量上的双重要求。为响应国家战略,满足地方区域发展需求,常州工学院立足培养地方ICT行业急需的应用型本科人才,大力开展通信工程专业虚拟仿真实验室建设。在将前沿信息技术与专业课程、人才培养方案相结合,充实课堂教学,更新学生知识结构,培养学生综合素质等方面,发挥了重要的促进作用。

1通信工程专业实验教学现存问题分析

通信工程专业是ICT领域的主干专业,课程体系的实践性与应用性要求强。地方应用型高校通信工程专业的人才培养目标是培养具有较好的专业基础知识和技能,具备良好的专业实践和创新能力的高素质人才。笔者通过调研,结合教学经验对地方应用型高校通信工程专业实验教学现存问题进行了总结。

(1)实验与实践教学设备技术含量高,购置及维护成本高。通信工程专业实验室的低频通用设备仪器包括稳压电源、信号源、扫频仪、万用表、示波器等,这类仪器设备已完全国产化,价格适中,质量优良,配套服务完善,高校一般都可以较为轻松地完成该类仪器设备的购置、维护及更新。但电子信息产业发展迅猛,微波、毫米波频率的卫星通信技术在世界范围内迅速发展,价格高昂、国产化程度不高的甚高频、射频及微波设备,如频谱分析仪、网络分析仪、信号源等价格较高,地方高校通常难以满足搭建综合测试平台,以及组建综合射频实验室设备的需求,通信工程专业的实验教学面临硬件不足的现实问题。

(2)通信工程专业交叉领域较多,实验设备分类较复杂。通信工程专业涉及电子与电路、嵌入式与计算机、信号分析与处理、信息理论与传输、网络规划与组建等工程领域,以及微积分与矩阵、概率论与统计学、半导体电子学、物理学、电磁场理论、光器件理论等自然科学领域,教学中要用到的实验设备种类较多,给地方高校的通信工程专业实验室建设带来了困难。

(3)通信产品更新换代快,通信工程专业实验设备易过时。纵观ICT技术的发展,从模拟通信、数字通信,到发展迅猛的移动通信、卫星通信、光纤通信、量子通信等,ICT技术的发展速度远超过一般的工业技术。在通信工程专业的实验教学中,实验室的教学设备已无法紧跟ICT技术发展的步伐,实验教学难以紧跟技术应用。综上所述,利用新一代信息技术辅助实验教学,将虚拟仿真技术与实践操作相结合,进行通信工程专业虚拟仿真实验室的建设,是解决地方高校通信工程专业实验教学中现存问题的重要手段。

2建设规划

常州工学院紧密结合地方企业的生产需求,依据应用型人才培养方案,遵循科学发现、科学创新的一般认知规律,以课程为核心,以虚拟仿真实验教学为手段,建立了通信工程专业虚拟仿真实验教学体系,如图1所示。整个虚拟仿真实验教学体系分为课程体系及平台体系2个部分,其中,课程体系主要由专业基础课程群、专业核心课程群和工程实训课程群组成;平台体系的建设与课程体系相对应,主要由电路设计、信号处理、工程实践及虚拟现实(VR)等仿真平台组成。

3建设内容

3.1课程体系建设

(1)专业基础课程群。面向大一和大二学生开设“电路分析”“模拟电子技术”“数字电子技术”等课程,并设计配套的课内实验、课外实践。

(2)专业核心课程群。面向大二和大三学生开设“通信原理”“信号与系统”“通信电子线路”等课程,并设计配套的课内实验、课外实践。

(3)工程实训课程群。面向大三和大四学生开设“光纤通信”“微波技术与天线”“移动通信”等课程,并设计配套的课内实验、课外实践。学生每学年参加的大学生创新训练、专业与学科竞赛、科学兴趣小组活动等,以及大四最后一学期开展的毕业设计,均可按照项目课题所涉及的专业知识和技能领域,对应到上述课程群的建设中。

3.2平台体系建设

(1)电路设计虚拟仿真平台。利用Pspice、Multisim、Protel等电路设计软件,进行“电路分析”课程中的交/直流电路分析、电路原理验证、信号观察、电路特征值测量等课内实验及其综合实训;进行“模拟电路”“数字电路”课程中器件与电路的原理验证、电路分析与指标计算、功能电路状态分析等课内实验及其综合实训。利用KeilC51、Proteus等电路设计软件,模拟“微机原理与接口”课程中的中断控制器编程、定时器/计数器应用、并行接口功能验证、串行通信,并进行上述功能器件的综合应用等课内实验及其综合实训;进行“嵌入式系统”课程中Linux安装与使用、编译/调试器使用、网络通信编程、TCP/IP使用等课内实验及其综合实训。此外,还可利用电路设计虚拟仿真平台进行“通信原理”“通信电子线路”等专业核心课程的课内虚拟仿真实验。在学生的课外实践活动中,电路设计虚拟仿真平台主要承担电子电路设计与制作类、嵌入式与单片机开发及应用类的大学生创新训练、学科兴趣小组活动、学科竞赛等。

(2)信号处理虚拟仿真平台。利用Multisim、LabVIEW等信号变换及处理软件,进行“通信原理”课程中的调制与解调,时分/频分复用、频移键控等课内实验及其课外实践;进行“通信电子线路”课程中关于放大器、振荡器、调制器、混频器、无线收发的课内实验及其课外实践。利用MATLAB、SPW等数学建模、信号处理软件,进行“信号与系统”课程中关于信号运算、时域分析、频域分析、Z域分析、滤波器的课内实验及其综合实训;进行“数字信号处理”课程中关于系统响应、信号采样、FFT变换、数字滤波器、音频信号处理的课内实验及其综合实训。此外,信号处理虚拟仿真平台还承担信号处理类、系统开发类的大学生创新训练、学科兴趣小组、学科竞赛等创新与实践活动。

(3)工程实践虚拟仿真平台。利用ADS、HFSS、CST、MWO等设计软件,进行“短距离无线通信”课程中的信射频电路设计、收发前端仿真等课内实验及其综合实训;进行“微波技术与天线”课程中的电磁场分析、微波器件建模与仿真、射频信号变换、天线仿真等课内实验及其综合实训。利用OptiSystem、SystemView、IUV-4G、STK等设计软件,进行“光纤通信”课程中的光发射机仿真、光接收机仿真、光功率控制与变换仿真,以及光传输仿真等课内虚拟仿真实验及其综合实训;进行“移动通信”课程中的数字调制与解调、扩频通信仿真、GSM通信仿真、CDMA通信仿真、LTE通信仿真等课内实验及其综合实训;进行“卫星通信”课程中的线性转发、再生转发、频分多址、带宽分配、功率分配、卫星数字通信仿真等课内实验及其综合实训。此外,工程实践虚拟仿真平台还承担信号与信息传输系统、通信系统开发及应用类的大学生创新训练、学科兴趣小组、学科竞赛、毕业设计等。

(4)虚拟现实(VR)仿真平台。利用3dsMAX/Unity3D等三维设计软件,进行三维素材的选取、渲染和制作,为电路、网络、系统等类课程提供器件、仪表、场景等三维素材,建立为虚拟现实仿真教学服务的素材库。利用VRSDK等VR设计软件,基于素材库建设,结合课程实践任务,开发各课程群实验与实训的VR仿真模块,形成VR实验课件,在实验项目开发的同时,利用新技术提升虚拟仿真平台技术含量,使学生深刻理解专业知识,更好地提升实践技能。基于三网融合仿真平台,利用VR技术,在3D环境中训练学生对三网融合全网规划部署完成学习、实训、竞技与测评。

4教学实践

4.1专业基础课程群教学

利用电路设计虚拟仿真平台、信号处理虚拟仿真平台、虚拟现实(VR)仿真平台进行专业基础课程群的教学与实训,能够很好地解决设备陈旧、元器件损耗等客观问题,激发了学生的学习兴趣和主观能动性。学生在学习课程知识的同时,能够通过虚拟仿真平台获得更多实践机会,强化对基本原理的理解和体会,大大提高了教学效果。

4.2专业核心课程群教学

专业核心课程群是专业培养方案的核心部分,虚拟仿真实验教学体系能够服务于专业核心课程群的教学与实训。通过虚拟仿真实验教学体系的使用,学生能够深刻理解通信基本原理,掌握通信系统基本架构,构建虚拟通信系统。

4.3工程实训课程群教学

利用工程实践虚拟仿真平台、虚拟现实(VR)仿真平台进行工程实训课程群的教学与实训,使学生能够真实体验通信应用场景、链路预算、网络架构、站点建设、设备安装、系统测试等通信系统的全功能应用。帮助通信工程专业学生具备一定的实际动手能力,更好地促进了应用型人才的培养。

5结语

电路设计原理范文6

关键词:数字电子技术实验;实验教学;教学改革;创新型人才

数字电子技术实验课程是电类专业的一门主要技术类基础实验课程,同时也是一门实践性很强的课程[1-2]。课程的主要任务是培养学生合理运用所学的理论知识,以科学的思维方式分析问题和解决问题的工程实践能力[3]。鉴于目前企业对人才创新实践能力的要求越来越高,学生能否扎实地掌握数字电子技术实验技能,具备自主学习和动手应用能力,对后续课程学习及职业规划将产生直接的影响。为此,南京工程学院针对实验教学存在的问题,如实验内容单一,教学方式不当,考核方法不合理等,采取了一系列相应的教学改革措施,并取得了明显的成效。

1教学内容的改进

以往的教学内容主要参照学院教师团队自编的实验教材,以理论教学涉及的芯片应用电路设计为主,如使用74138、74151、74160芯片,主要起巩固理论教学知识的目的。但实验内容不能仅局限于对数字电子技术理论知识的认知与验证,还必须形成基础认知、初步设计、综合应用、研究创新等环节有机结合的实验教学模式[4]。学院针对实验教学中实验内容相对单一,实验选题偏少,不同实验选题不能有效建立联系,创新型实验比例偏少等问题,主要从层次性、实用性和多样性这3个方面进行了改进。

1.1层次性

数字电子技术实验主要分为验证型、设计型和综合型实验。验证型实验主要是了解实验基本仪器使用和实验方法,简单测试集成芯片逻辑功能。设计型实验主要是根据设计要求,独立完成一个功能电路的搭建和调试。综合型实验包含了数字电子技术理论课程的多个知识点,重在提高学生学以致用的能力和创新思维水平。遵循学生对知识认知循序渐进的原则,以由简到繁,由易到难,由单元电路到系统综合设计为思路,学院在增加设计型和综合型实验比重基础上,仍保留验证型实验。目前实验课程中验证型、设计型和综合型实验比例为2∶5∶3。另外,授课时还需注意学生知识接受能力和动手实践能力的差异性。一部分学生理论基础知识薄弱,数字电子技术这门课程学完后对集成芯片引脚图、功能表了解甚微,更不要说设计和调试实际功能电路。实验操作时,也经常出现各种问题,如芯片忘记供电等,实验完成进度缓慢。还有部分学生理论基础知识扎实,对实验课程感兴趣,电路设计已在课程预习时完成,课堂上实验操作很快完成,剩余大量时间不能有效利用。为了兼顾这两类学生,考虑到他们的差异性,教学内容应有一定的扩展性,或设计一些选做的实验内容,为那些学有余力的学生提供一定的能力发展空间[5]。

1.2实用性

为了激发学生的探究欲望,以及让学生感受到所学的理论知识是切实有用的,设计综合型选题应尽量选取与实际生产生活密切相关的,如八人抢答器、循环彩灯控制、数字时钟等。这样一方面较熟悉的实际问题有利于学生将其抽象为逻辑问题,另一方面真正做到了学有所用、学以致用,有效提高学生学习的热情。另外,实验的过程和结果最好能产生有形的结果,如LED显示、数码管显示等。这样学生完成实验时,看到正确显示的实验现象会有成就感,慢慢地对这门课程产生兴趣。

1.3多样性

由于本院班级多,实验教师相对较少,实验设备和实验空间有限,相同专业不同班级学生上课时间不能统一。一个班级先做实验,另一个班级后做实验,如果实验内容完全一致,很难杜绝实验数据相互参考的现象,而且大大降低了后面班级学生学习的积极性,实验效果较差。为了从根本上解决这个问题,学院教师设计了多种不同的实验教学内容,确保不同班级教学内容不完全一致,在有效解决实验数据相互参考问题的同时,也丰富了教学资源。在此基础上,学院教师还设计了多种创新型、综合型项目,供学生自主选择训练,一般以小组团队合作方式完成。

2教学方式的转变

传统的数字电子技术实验教学采用灌输式教学,以教师为主体,学生处于被动学习的地位[6]。整个教学过程通常如下:首先,教师从实验目的、实验原理、实验内容及步骤、实验注意事项等多方面进行讲解,详细至极;然后,学生根据教师讲解,对照实验指导书上操作步骤,按部就班地完成电路搭建和实验结果的验证。甚至有些学生电路原理还没搞清楚,就直接按照指导老师给出的电路图,对应芯片引脚进行电路搭建。这种教学方式虽然避免了很多可能出现问题的地方,学生能快速完成实验,得到实验数据,但不利于其分析问题和解决问题能力的培养。在整个实验课程中很难有自己的想法,创造性和积极性得不到有效激发,大大降低了学生主动参与实验的兴趣。因此,学院从3个方面对教学方式进行了改进。

2.1学生为主体,教师为主导

为了提高学生自主学习积极性,培养学生实践创新能力,激发其科学思维方法,学院将教学模式转变为“以学生为主体,教师为主导”。具体是指实验任务只给出设计要求和原理,不再给出详细的电路设计图,让学生自己思考如何进行电路设计,让其在实验过程中发现问题,并独自分析和解决问题。教师在实验过程中只起引导性作用,但实验完成后,要注意启发学生多思考和总结[7],比如全加器电路可以用小规模集成芯片74LS86和74LS00实现,也可利用74LS138和74LS20实现,从这两种电路设计的区别总结出中小规模集成芯片设计组合逻辑电路所存在的优缺点。

2.2注重电路调试和故障排查

在电路调试检测时经常会发现电路产生故障,实验现象与设计需求不符,不能按预定的逻辑功能正常工作。多数学生会选择把所有连线拔掉,重新再来,重连后还是不成功就认为实验箱有问题或者找教师帮忙解决。为提高学生排查故障和解决问题的能力,第一次实验课时教师就应向学生讲清电路调试和故障排查的重要性,以及电路故障可能出现的原因及排查方法,如用数字万用表测试导线通断等。实验过程中学生出错时,应耐心引导学生去排查可能出现的问题,而不是教师替学生完成故障排查。发现问题、解决问题的过程才是学生学习进步的过程。

2.3注重课前预习

改革后的教学模式要求学生在没有详细电路设计图的情况下自行完成电路设计与搭建调试。如果学生课前预习不充分,一方面不熟悉实验目的、原理、内容以及注意事项等,实验带有很大的盲目性,电路设计困难,也预计不到可能出现的问题;另一方面在课堂上才进行电路设计,动手操作时间相对减少,从而使课堂效率降低。为此,学院教师在实验课前预先布置下节课实验内容,要求学生充分预习并写预习报告,主要是完成电路设计。对实验有基本认知后,操作时才能做到有的放矢,提高课堂效率。

3教学手段的更新

传统的“板书”授课、“言传身教”以及采用多媒体课件等教学手段有诸多弊端,如上课效率低下,无法激发学生学习兴趣,限制学生学习的主观能动性。为了更好地开展实验教学,激发学生的学习兴趣,加强师生间的交流互动,学院将网上教学平台、开放实验室等新思维与传统教学手段有机结合,充分利用各种教学手段的优点,形成多元化的实验教学手段。实践表明,运用这些教学手段能达到预期教学目标。

3.1引入EDA教学

以往,实验教学学生操作时一般均通过在实验箱上手工连线完成电路搭建,然后进行电路测试,观察输入和输出,验证实验结果。如果实验结果不符合设计要求,需要变换电路并重新调试,直至输出结果与设计要求一致。当电路非常复杂时,学生多次重复实验操作会降低实验效率,损耗器材的同时,也容易产生厌烦情绪,丧失学习热情。EDA技术是高校实验课程改革的必然趋势,利用该技术可以实现硬件设计的软件化,有效提高了实验效率[8]。对于验证型实验,学生只需利用EDA软件对电路进行测试和仿真,即可达到预期的教学效果。对于设计型和综合型实验,要求学生先仿真设计电路,确定设计无误后,再在实验箱上进行电路搭建,这样可以减少因设计错误导致的器材损耗并有效提高实验效率[9]。

3.2高效利用多媒体

实验教学过程中经常需要对一些复杂的电路进行演示说明,传统教学一般是教师选用一个实验箱,学生围在其周围进行观摩学习。由于场地的限制,一般只有少数前排学生能看清楚演示过程,后面的学生只能再向这些学生请教。学院教师目前利用摄像技术,课前记录下实验演示过程,上课时运用多媒体设备进行播放,保证所有学生均能看到演示,自行操作时有个参考,在很大程度上提升了上课水平和课堂效率[10]。另外,通过给学生播放一些案例性教学视频,使教学情景立体化和多样化,可以激发学生思考,加深对教学内容的理解。

3.3建立网上教学平台

为方便学生自主学习,学院教学团队建立了网上教学平台,提供多媒体课件、视频教学案例及实验指导书等教学资源的下载。基于教学内容的改革,实验教材也进行了相应的修改和完善,增加了综合设计型实验比例的同时,去除了具体的实验步骤。每个实验内容只给出具体的功能要求,不限定学生使用何种芯片、设计何种电路,有利于学生创新思维的培养。另外,学生可在网上针对重点、难点进行提问,教师及时做出解答,师生间的互动交流可变学生被动学习为主动学习,进而培养学生学习兴趣。同时,教师也可以依据学生提出的疑问和建议及时调整授课内容及方向,有利于提高教学效果。

3.4开放实验室

开放实验室是指实验室提供可能用到的仪器设备和电子元件,学生根据学习兴趣在网上教学平台选择合适的实验项目,由学生个人或团队协作在业余时间来实验室完成实验任务。在整个过程中,教师并不会过多干预,由学生自行查阅文献,了解实验原理,通过合作与交流,不断完成电路设计,形成探究能力。如此,不仅提高了学生创新实践技能和查阅文献能力,还能充分发挥实验室现有资源,提高仪器设备利用率。目前学院开放实验室项目主要有智能交通灯控制系统、数字频率计、智能竞赛抢答器设计、多路防盗报警电路设计等。

4教学考核机制的建立

实验考核方式是否合理和公正直接关系到每个学生对实验课程的重视程度,以往以实验报告为主、考勤为辅的考核方式存在明显的缺陷,不能准确衡量学生课程学习后的成效。为此,学院建立了一套行之有效的考核制度,在教学考核机制中增加考试环节,并取缔纸质实验报告。

4.1增加考试环节

为了充分调动学生学习积极性,了解及提高实验教学效果,保证教学改革顺利进行,学院增加了实验考试环节。实验考卷由教师根据教学内容拟定,一套试卷对应一个实验项目,主要考查学生对仪器的熟练使用,对数字电子技术理论知识的掌握程度,动手实践能力以及实验数据测量、分析能力。试卷主要分为实验步骤、实验结果与分析、实验操作和思考题4个部分,其中实验操作由教师现场验收打分,占卷面成绩的35%。另外,为多方位考查学生对不同实验项目的了解,学院一般每年命题四套试卷,由学生抽签决定考题,教师可根据答题情况适时调整实验难度。

4.2取缔纸质实验报告

以往学生上交的纸质实验报告大多抄写了大量实验目的、实验原理等文字性内容,而电路图设计及数据分析处理部分一带而过,本末倒置。为了督促学生预习,合理利用时间及真正体现出实验报告的作用,学院教师提出取缔纸质实验报告,提交电子实验报告的方案。学生可直接复制实验教材中实验目的、实验原理等内容,而把时间精力用于电路预先设计、数据分析处理等方面。另外,实验课前所有学生均需向实验老师发送预习报告,实验教师对报告中电路设计图进行检查,作为预习考核指标的同时,也可在课上重点关注电路设计错误的同学。

4.3实验成绩给定方法

实验成绩由平时成绩和期末卷面成绩综合评定,本着“轻结果、重过程”的原则[11],平时成绩占60%,期末卷面成绩占40%。

5结束语

电路设计原理范文7

关键词:集成电路;案例教学;Cache控制器

0引言

集成电路包括模拟集成电路和数字集成电路。其中数字集成电路发展异常迅速,已形成了一整套标准的工业化设计流程。标准流程包括:系统设计、逻辑设计、逻辑综合、版图设计和布局布线。在这个流程中,还伴随着必不可少的设计模拟、功能验证、时序分析和功耗分析等验证、分析工作。以上各环节相互交织、相互印证并经常需要多次迭代,才形成了一个完整的工业化流程,用以保证根据该流程设计生产出来芯片的质量。面对如此复杂的流程,在有关数字集成电路教学中如何让学生对流程各阶段的原理融会贯通并具备分析和解决问题的能力是一个难点。“数字集成电路设计与验证”课程是我校计算机学院微电子学与固体电子学专业硕士研究生的学科基础课程,内容包括数字集成电路的硬件描述、验证、综合、物理设计的基本概念、基本方法和实现算法。本文以此课程为实践平台,提出和实践了在教学中引入真实项目设计案例配合理论讲授的教学方法,并对教学考查结果进行了分析和思考。

1教学现状

目前国内各大高校普遍开设了集成电路课程,也针对相关课程教学方法展开了研究。文献[1]提出了如何通过构建设计案例来提高学生的学习兴趣从而进一步激发其开展自主学习;文献[2]提出了如何在课程中面向个体差异、有的放矢的教学思路;文献[3]探讨了在集成电路设计实验中采用研究型实验教学模式的方法和对学生及教师的要求;文献[4]探索了如何利用新的课程考核方法促使学生提高动手能力;文献[5]探索了项目教学法在实际教学中的应用;文献[6]论述了案例教学法对工程类课程教学的实践要求并探讨了为提高教学效果需采用的保障措施。上述研究从案例研究、考核方法和差异化教学等多个角度探索了针对集成电路课程的教学改进方法,本文将在此基础上针对课程特点做进一步的教学探讨。在以前数字集成电路课程的教学设计中,教师会对数字集成电路每个设计阶段的概念和原理进行讲解,并分别用不同的例子引导学生理解这些理论和使用技巧。根据几年的课程积累和学生反馈,我们发现,学生在掌握课程基本原理的同时,对设计流程各阶段的内在联系认识并不透彻,多个知识点不能有机融合,分析问题和解决问题的能力培养也尚有不足。而学生完成课程进入研究或课题后,因为经验不够往往接触到的是初级单一的设计或验证工作,很少有机会从事全流程的设计规划工作。这导致其在做设计或验证工作时只见树木不见森林,无法从系统的角度分析和解决问题,最终无法得到最优的设计结果。因此,如何使学生在掌握数字集成电路设计各知识点的前提下能对各设计阶段进行有机衔接是课程中的难点,我们通过在课程讲授中贯穿一个真实项目中的设计案例来帮助学生进行理论学习的同时,更深入地了解集成电路设计的全流程、培养分析解决问题的实践能力。

2课程设计

2.1真实项目案例教学法

为达到让学生通晓数字集成电路全流程设计的目的,我们在”数字集成电路设计与验证”教学中,采用一个真实项目中的设计作为案例进行剖析,随着案例设计每个阶段理论讲授的同时对案例中的功能模块同步研究和设计。当全部理论知识讲授完毕时,案例模块也随着设计完成。通过这种方法,学生有机会结合课程知识自己动手对模块进行设计和优化,因此能更深入地理解所学到的内容。由于案例为真实项目中涉及的设计模块,在设计流程推进时也尽量按照标准工业化流程要求执行,学生从中可以体会真实项目的执行情况。除了讲授流程中各阶段的概念原理以外,课程还着重强调了各设计流程间的联系和迭代,因此学生能以系统的眼光进行设计工作,为今后从事芯片设计做好准备。真实项目案例教学法的关键在于案例的选择,这直接影响了教学效果的实现,我们在真实项目的多个备选设计中选择了Cache控制器作为案例,原因如下:(1)此模块是CPU体系结构的标准组成部件,大部分学生具备相关的知识基础。(2)模块包括多种组合逻辑、时序逻辑功能电路结构,便于结合课堂理论内容讲授实际使用技巧。(3)模块逻辑规模适中,在个人电脑上运行EDA设计软件的等待时间可接受。(4)可以结合片外器件讲授系统设计知识来增强学生的系统认知。(5)授课教师具有丰富的项目经验且在真实项目里设计实现过此模块,能充分把握讲授内容。

2.2教学实施方法

以我校计算机学院微电子专业硕士研究生课程“数字集成电路设计与验证”为实践平台,开展了历时两年的真实项目案例教学法的研究。授课时段为2015年到2017年,年度课时为54学时。2015年我们未使用真实项目案例教学,2016开始以Cache控制器为案例进行教学,2017年根据前一年的反馈进一步完善案例模型以更适合课堂教学及讨论优化。教学是以理论为基础、案例为实践,结合项目驱动方式来培养学生的动手能力和分析能力。教学实施的过程如图1所示。我们是在引导学生熟悉理论知识的基础上认识案例,启发学生运用所学知识独立思考,从案例中发现问题,并以个人发言、小组讨论或集体辩论等方式分析和解决问题,让学生将所学知识具体运用于案例中,最后教师会就发言情况和提出的方案给出总结评价。

2.3课堂讲授

课程分四个阶段来进行真实项目案例法教学。

1)代码结构阶段

由于很多学生以前没有具体设计过电路,但通常熟悉了一两门软件编程语言,所以怎样让学生尽快将软件编程习惯转换为硬件编程习惯是这阶段教学的重点。我们首先讲授一些标准电路模块结构的设计方法,并具体结合案例功能讲述在案例中的哪部分是用所学结构实现的,学生从中可以了解到这些结构的原理和具体使用场合,从而能加速形成硬件编程习惯,同时也能加深对案例功能的了解。

2)代码综合阶段

当学会使用硬件编程语言设计硬件后,学生并不清楚每种逻辑结构具体对应怎样的门级实现。我们通过讲授逻辑综合的理论让学生建立高级语言到门级网表的映射关系,还专门在案例中留了优化空间,针对案例中不完善的部分,和学生讨论怎样优化案例设计。学生结合课堂上学到的内容经讨论后通常可以发现这些优化的方向,并在这个过程中加深了对相关理论的理解。通过代码结构和代码综合阶段的学习,学生能将体系结构知识和电路结构知识有机结合起来。

3)版图设计阶段

设计形成网表后就要开始进行版图设计,在很多项目中这个阶段的设计工作和之前流程的工作是由不同的人完成,这会造成设计的脱节和指标下降,因此我们安排了版图设计内容让学生了解这方面的理论。在之前的设计阶段,学生对模块只有逻辑概念,当亲手在案例中进行物理版图设计时,学生开始建立模块的物理概念,并能根据版图设计中的问题对此阶段或更早阶段的设计进行调整优化。通过这个过程,学生会逐渐将这几个阶段结合起来,意识到多个阶段紧密结合才能做出更好的设计。

4)封装及板级设计阶段

学生进行版图设计时经常无法判断版图是否合理,这时需要进一步学习芯片封装及板级设计的概念。因为集成电路芯片是通过封装焊到印制板上使用,设计模块要和板上器件的摆放统一考虑才能得到最优的版图设计结果,板上的限制会使片内模块受到影响,我们会针对案例讨论具体的使用环境和设计限制。通过这些讲授和讨论,学生能进一步从系统的高度审视芯片设计从而对集成电路设计有了更全面的认识。经过上述4个设计阶段的讲授,通过对案例在各个阶段出现问题的讨论及不断的优化改进,我们最终得到一个较优的案例设计。这个过程与一个真实的数字集成电路芯片项目的设计流程十分类似。通过这个过程,学生能在短短几次课里感受到真实项目的推进和迭代过程。通过多次的探讨和优化,学生对怎样判断模块设计的好坏和从什么角度分析和解决问题有了更深刻的认识,这对他们将来从事相关研究奠定了良好的理论和实践基础。

3分析与思考

在开展真实项目案例教学法的三年实践中,教学效果主要通过课程考试得以体现。三年的课程考试题目类型相同、题目不同但难度相当。图2为三年来学生在课程考试中不同类型题目的得分率,这里得分率指的是所有学生这类题目实际得分和所分配分值比率的算术平均值。概念题是考查学生对各个阶段设计及各专有名词基本概念的理解,可以看出在概念题得分率上每年相差不多;设计题是考查学生各阶段的设计能力,设计题的得分率略有上升;论述分析题是考查学生针对各阶段设计出现问题的分析和解决能力,这项得分率随着案例模型的完善有明显的提高,这说明采用真实项目案例配合教学能使学生分析问题的能力显著提升。图3为三年来学生的成绩分布图,这里统计的成绩是按考试成绩均匀缩放到60~100分区间后得出的。在图3中可以看出不同水平学生的受益程度存在差异,三年来学生成绩的差距有逐渐扩大的趋势,成绩中低的学生比例变化不大,高分段的学生成绩更好了。在课堂教学和实验教学中我们观察到参与讨论最积极的往往是同样的几个学生而其他学生的参与感相对弱一些。通过学生的反馈我们得知,在授课学期学生的课业负担非常重,只有学有余力的学生才有时间在课余对案例进行深入研究从而获得了更大的收益。通过上面的分析,我们认识到虽然这种教学方法总体上能使学生的课业水平得到提升,但还需进一步改进来让更多学生获得益处。经过思考本文提出以下措施来改进教学:(1)案例可酌情缩小规模,在不降低设计复杂性的同时减少工程量。(2)课堂各部分内容的课时分配可进一步优化。(3)可采用分层教学使更多学生能参与讨论。(4)硬件设计综合能力的培养并非单独一门课程完成,专业领域内的相关研究生课程应形成体系,互相助力,为提升研究生的实践动手能力形成合力。

4结语

数字集成电路设计和验证是一个完善且复杂的工业化流程,学生在学习过程中会接触很多全新且相互关联的知识点,如何让学生对设计流程各阶段的原理融会贯通并具备分析和解决问题的能力是相关课程教学的难点。本文首先介绍了数字集成电路课程的特点,分析了学生对全流程设计的分析和解决能力不足的问题,提出了一种采用真实项目案例来配合理论教学的方法并详细阐述了教学方法和实施过程。考查分析的结果表明,这种方法在总体上能显著提高学生分析和解决问题的能力,但也发现不同水平学生的受益程度存在差异。文章最后给出了进一步改进教学方法的几点建议,希望在未来的教学过程中取得更好的教学效果。

参考文献:

[1]周晓珏.基于Proteus的集成电路应用课程教学案例设计[J].重庆:重庆电子工程职业学院学报,2017(9):126-128.

[2]罗萍,张波,王卓.专业学位工程硕士集成电路设计课程教学方法探讨[J].南宁:大学教育,2016(2):115-116.

[3]夏晓娟,吉新村,王德波,方玉明.研究型实践教学模式在集成电路设计实验中的探讨[J].上海:科技视界,2015(16):37,278.

[4]向舜然.集成电路CAD教学实践方法探索[J].成都:亚太教育,2015(14):99-100.

[5]杨玲玲,谢星,孙玲,孙海燕.项目教学法在概论性课程教学中的应用研究.合肥:电脑知识与技术,2016(10):166-167.

电路设计原理范文8

本文对目前在电子电气通信专业的课程高频电子线路实验提出了改进思路,针对目前在实验中采用软件仿真代替搭建实验电路的流行做法,提出了商榷。本文建议在低年级短学期阶段让学生接触电路板制作、高频防电磁干扰设计准则,通过制作通用高频电路板并调试高频电路,接触高频电路设计,激发学生今后学习电路的兴趣,培养电路调试能力,缩短未来高频电路实验需要的时间,在高频实验中将软件仿真和电路搭建调试结合,用软件仿真验证理论知识,用搭建电路实现功能。

关键词

电子线路;实验;仿真;电路搭建

1前言

高频电子线路课程,又称通信电子线路,是高校电子、电气、通信专业的必修课程,由于该课程工程实践性较强,通常必须配有相应的实验课程。通过调查目前国内高校针对该课程相应的实验课程设计,我们发现目前该课程理论阶段一般设置课时为36-64学时,而相应的实验通常有10-24课时。高频电路类似于乐高积木,即其每个部分基本功能实现都具有固定的经典电路,整体电路设计需要根据电路参数计算,在每个功能部分从几个经典电路中选择合适的一个即可,这样多个基本功能电路采用乐高积木般组合搭建而成最终电路,这点与低频电路不同,低频电路很多时候需要自己设计,而高频主要还是“搭积木”。这样看似乎该课程实验很简单,其实不然,在很多侧重理工的大学(通常这类大学对该课程要求更高、赋予更多课时),该课程和对应的实验课均被称为“杀手课程”,很多学生提起来都头疼。高频电路实验主要是对教授的经典电路进行验证,因此设计部分不是难点,实验的难点在于如何成功调试电路。在实际实验中常常会出现设计验证成功,但电路不成功的情况,比如高频振荡电路无论如何都无法起振、功率放大电路输出信号严重失真等现象,这源于高频电路中电磁干扰很严重,为消除电磁干扰对走线的粗细、走线的拐角、电源线的布设位置、接地处理、哪里需要添加去耦合电容、去耦合电容的容值选取多大等等均需要经验,因此有种说法:“能设计开发模拟高频电路的工程师如同老中医,越老越珍贵。”而这些知识理论上很容易,远比高频电路设计计算容易理解,但实际应用时颇有“大音希声,大象无形”的感慨———飘渺难以把握的感觉,调试相同的2个PCB版,一个很容易就调通了,另一个无论如何效果不好。

2当前实验课程设计现状及问题

正是为了避免高频电路设计容易、调试难的这个特点,当前很多学校在高频电路实验中普遍采用两种方式:(1)软件仿真,目前常用的实验仿真软件有Candence中的pSpice,NI公司的multisim,其中multisim在目前高校应用是最广泛的;(2)使用现成的调试好的实验板/箱,同学只需要改变电路中某个器件的参数,然后通过使用滤波器测试输出变化即可。在我们调研中发现以上两种方式目前前者约占60%出头,并且近几年来有越来越受欢迎的趋势,后者约占40%。无论采用以上哪种方式进行实验,均避开了电路调试这个环节,的确电路调试时间远大于设计所花费时间,并且可能最终电路还调试不好,而以上两种方式只有做实验快慢的问题,绝不会出现实验做不出的问题,老师减少了工作强度,学生能完成实验,大家皆大欢喜。我校高频电子线路实验以上两种方式都采用,我们对以上两种实验方式的反思来自于本校近几年毕业生的反馈,很多在学校动手能力较强、成绩比较好的学生反映,在实际工作中进行电路设计和调试,设计还比较简单,如何选择器件参数也会计算,但当PCB板做好需要调试时若电路出现问题,根本就不知所措,没有任何头绪,不知道从哪里开始排查,单位里老工程师问是否大学里做过实验?答曰做过,软件仿真直接在实验板上测试的。他们反馈希望在大学学习阶段尽早接触实际电路设计调试。我们认为仿真软件代替实验,固然可以使得实验变得简单,学生能够用鼠标键盘改变电路中某个元件的参数,轻而易举地测得某个位置参数变化对输出的影响,对所学理论有直观感性的认识,但亲手搭建实验电路也是必不可少的。因此目前对高频电路的设计实验,还是应该以软件仿真、实验板测试和实际电路设计调试相结合,不可简单用一个代替另一个。但做高频实际电路,需要的时间很长,不可控因素较多,而大学高频电路实验课程一般有10-24学时,有的学校甚至少至只有6学时,在如此少的时间内面对复杂电磁干扰下的电路,能调试成功电路的难度还是相当大,如果学生经过很长时间不能完成电路,他们就会感到沮丧,彻底丧失了学习的兴趣。

3实验改革思路

为了保证实验能达到验证电路设计理论、调试电路的目的,同时在此前提下将任务简单化,笔者提出了高频电路系列实验的改革方案,即“从娃娃抓起”,将该实验分两个分阶段完成,从大学一年级就逐步开始实施。改革的基本思路是将该实验进行分解,其中某些分解的部分与其他课程实验、实习、短学期相结合,并将这些结合后的实验结果用于后续的高频电路实验中,相当于拉长了该课程的实际实验学时,具体思路为将整个高频电路实验分为两个阶段:第一阶段为第二学期的短学期电子线路实习阶段,在此阶段完成部分高频电路实验内容;第二阶段为第六学期的高频电路实验阶段,在此阶段完成高频电路具体功能实现的调试和学习。

3.1第一阶段改革方案

首先由高频电路实验教师设计一个通用的高频电路实验版,在这个实验版上可以完成目前高频电路实验课程需要的所有实验。这步由高频电子线路实验课老师和理论课教师合作商讨完成,无需学生参与。教师将该通用板的原理图和PCB图交给负责一年级暑假电子线路实习的老师,通常电子、通信、电气专业在一年级暑假会有电子线路短学期实习,这时候学生们实际上还没有接触电路设计的任何理论知识,以往短学期实习是让他们学习使用制电路图软件,并最终做出实际电路,而电路多来自于在这之后的二年级低频电子线路课程,改革后将短学期实习内容略做修改:学习使用制版图的软件,学习高频防电磁干扰的基本设计理念,根据老师给出的原理图画出PCB图。由于此时的学生既没有电路基本知识也无调试电路板的经验,仅有在步骤(2)中学习到的一些理论,在此情况下他们画出的PCB图必然和能实际应用的PCB图有很大差异,因此需要短学期指导教师的纠错:在同学上交自己的PCB图后,短学期指导老师将高频电路实验老师设计的PCB图发给每个同学,同学自己比较两个PCB设计的差异,对照在步骤(2)中高频设计基本理念,分析自己的设计与老师给出的设计中有哪些不同?这些差异中哪些是无关紧要的?哪些部分是违背了高频设计基本理念的?写出总结报告,并根据参考图修改自己的通用电路板的PCB图,在此过程中有任何疑问可以与短学期指导老师和高频电子线路实验老师商榷,最终完成制版。电路焊接练习:当通用PCB版制成后,由高频电路实验老师给出高频电路中的几个常用电路(每个电路是PCB的一部分),由学生自行选择哪个电路(或者说PCB板哪个部分)进行焊接练习。考虑到此时的同学们没有电路分析知识,这里我们推荐选择高频振荡电路或者高频小信号放大电路,因为这两个电路调试相对简单,每个同学任选一个作为焊接电路,将分体元件焊接在PCB板上,分体元件由短学期指导老师统一采购分发给同学们。此过程没有改变电路实习短学期的教学目的———训练学生焊接电路,电路所使用的器件、各个器件参数均由高频电路实验老师指定,学生仅在此过程中练习焊接技术。短学期实习阶段的电路调试,此电路调试不同于高频电路实验课的调试,在此阶段同学们主要检查电路是否虚焊,有无短路等问题(这些问题必须在短学期解决),学会使用各种测量仪器,具体电路效果的调试需要应用电路理论知识解决问题,此阶段同学们还不具备条件,如果前面的调试都顺利完成,则老师可以指导学生完成进一步的简单效果测试。电路调试过程中,不仅负责电路实习的老师在场,高频电子线路实验老师也要在场,帮助带领同学们解决遇到的问题。由于短学期实习时间较长,并且时间集中,相比于高年级的实验课时时间上充裕了很多,通过电路调试中解决问题的过程,同学们学会了示波器等测试仪器的使用方法,由于电路原理对于一年级的同学还是没有概念的,因此每一步骤的调试都要在老师指导下进行,比如测量输入信号后测试三极管输出,三极管的输出放大信号应该是输入信号的多少倍,老师必须告诉同学倍数的范围在多少以内是合理的,诸如此类。对应高频电磁干扰的问题,老师不能直接告诉学生如何处理,而要求学生自己通过上网查资料的方式找答案,这部分知识对理论要求不高,所以学生即使没有学过电路知识也可以理解,再经过一段学生自己找资料解决问题的阶段后,高频电路实验老师帮助学生一起解决电磁干扰的问题。通过一年级的短学期经历,激发同学们对电路设计的兴趣,而兴趣往往是最好的老师,引导他们在二年级时学习低频电路有好奇心,学习的主观能动性更强,学习效果更好。低频电路是高频电路的基础课程,只有低频电路学好了,高频电路才有可能学好,所以适当调整一年级短学期实习内容,可以为后续课程打下良好的基础。另外,通过短学期的学习,学生有充裕的时间调试电路板,学习高频防止电磁干扰的方法等,这样可以提高在高频电路实验中的效率,减少调试电路所花费的时间。

3.2第二阶段改革方案

我们建议在高频电路实验中将软件仿真与硬件电路调试结合,进行实验设计,比如在经典高频功率放大器电路实验中,先用软件仿真电路,通过更改负载值、基极电压,调整分压值,更改输入电源电压等,在软件中观察输出电压、电流的变化,并画出对应曲线,将该曲线与理论曲线相比较,验证理论,正如前面所述,这样实验花费时间较少,难度低,学生都能做出来,不会有挫败感进而丧失学习的兴趣。然后固定各部分参数值,让学生使用他们自己一年级短学期制作的分离元件搭建高频功率放大电路,进行功能调试,即用焊接好的电路板达到设计功能要求,由于已经在一年级处理过电磁干扰的问题了,此时工作量大为减少,他们面对新的高频电路无法工作时,惶恐感没那么强烈,多少还是有些经验的,加上实验老师的辅导协同帮助,绝大部分同学有能力在规定时间内解决问题。然后我们采用反向设计法进行实验:在现成的实验箱中任选一功能模块,这些模块都是二层电路板设计,对这个功能首先学生进行电路设计,为加快时间只需完成原理图设计即可,然后学生被要求画出试验箱中该模块的电路,比较自己设计的电路与实际电路之间的异同,分析为什么会出现这些差异?这些差异哪些是允许的、无关紧要的,哪些是由于设计不当引发而必须改正的,写出分析报告。通过反向设计,同学们能体会到理论和实践的差异,在今后的工作中不可掉以轻心,多思考,积累经验。

4总结

我们三年前进行高频电子线路课程改革,在改革的第一年在一年级同学短学期期间也要求二年级同学一道参与制作PCB板、焊接元器件,到了三年级下学期这些同学学习高频电路时,他们已经迫不及待要验证自己以往的劳动成果了,调试电路时主动性大大增强,几乎没有人像以往那样什么问题都等老师来解决,很多同学自发组成讨论组,自己上网查资料,基本能做到独立调试好电路,相比用软件仿真和用实验板,教师在该课程实验阶段的工作量会有些增加,同学们在规定学时内完成实验电路调试也是可行的,教师和学生的压力均在可承受范围内,但实际能力得到了更多的锻炼。

作者:侯俊 陈文 单位:上海理工大学光电信息与计算机工程学院 上海应用技术学院

参考文献

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